目前，动力电池的市场需求正朝着高安全性、高倍率充放电和长循环寿命协同发展的方向迈进。高倍率充电技术（如10 C超快充）作为解决“续航焦虑”的核心突破口，需具备更高的安全性及可靠的电化学性能。隔膜作为阻挡电池正负极直接接触的屏障，对保障电池安全使用发挥着关键作用。传统聚烯烃隔膜因热稳定性较差，离子传输缓慢加剧电解液/电极界面处的浓度极化，界面剧烈副反应持续消耗活性锂，导致电池容量快速衰减，难以满足高安全性、高倍率充放电和长循环的迫切需求。
近日，江苏大学景茂祥教授团队在期刊《Chem. Eng. J.》上，发表了最新研究成果“A high safety composite separator for powerful battery with ultra-long lifespan over 14,000 cycles at 10C”。论文第一作者为材料学院硕士生方科，通讯作者为景茂祥研究员。研究人员采用规模化涂层工艺，通过改变浆料中离子导电的铝酸锂（LiAl5O8, LAO）填料与粘结剂的比例，制备出聚酰亚胺（PI）纳米纤维/铝酸锂(LAO)复合隔膜。该隔膜可耐400 ℃高温，并表现完全自熄的阻燃性能，由其组装的磷酸铁锂-石墨（LFP-Graphite）全电池可在10 C倍率下充放电超14,000次，容量保持率高达89 %。这种高安全复合隔膜为规模化设计和制造超快充、超长寿命的动力锂离子电池提供了新方案。
图1：PI-LAO复合隔膜的部分特性示意图
如图2（a）所示，该隔膜制备工艺简单且易于规模化，通过调整LAO与粘结剂比例可制备不同微观结构的复合隔膜。图2（h）显示LAO比例为10 %时，复合隔膜表面大孔完全消失，形成了LAO/纤维以及LAO颗粒之间相连的微孔结构，与之相对应的截面（图2 f）呈现类似结构，结合截面EDS（图2 j）的Al元素分布可知，复合隔膜内部和表面被LAO充分填充，形成了一致性好的复合结构。
图2：(a) PI-LAO复合纳米纤维隔膜的制备示意图；(b) 微孔结构，(c) 多孔结构，(d) 分层结构的复合隔膜示意图；(e) PI-5%LAO、(f) PI-10%LAO 和 (g) PI-15%LAO复合隔膜横截面SEM图像；(h) PI-10%LAO复合隔膜表面SEM图像；PI-10%LAO复合隔膜 (i) 表面和 (j) 截面Al元素的EDS图像。
图3（c）显示PI-10%LAO复合隔膜孔隙率为79 %，远高于传统聚烯烃40 %左右的孔隙率；图3（e）显示其真实吸液率高达2,288 %，远高于传统聚烯烃隔膜200 %左右的真实吸液率。
图3：(a) PI-x%LAO复合隔膜（x=0 %~30 %）的负载量；(b) PI-x%PVDF复合隔膜（x=0 %~3 %）的负载量；(c) PI-x%LAO复合隔膜（x=0 %~30 %）的孔隙率；(d) PI-x%PVDF（x=0 %~3 %）复合隔膜的孔隙率；(e) PI-x%LAO复合隔膜（x=0 %~30 %）的吸液率；(f) PI-x%PVDF（x=0 %~3 %）复合隔膜的吸液率。棕色曲线表示的数值为吸液率，紫色曲线表示的数值为相对于PI基膜的真实吸液率。
400 ℃时，PI-10%LAO复合隔膜（图4a）TGA显示质量损失仅4.1 %，TMA（图4b）显示长度变化仅1.6 %，热稳定性测试结果（图4c）未见明显收缩，燃烧测试结果（图3d）显示出完全自熄的特性。
图3：PI 和 PI-10% LAO 隔膜的 (a) TGA 和 (b) TMA；(c) PI、PI-0% LAO、PI-3% LAO 和 PI-10% LAO 隔膜的热稳定性测试；(d) PI、PI-0% LAO 和 PI-10% LAO 隔膜的燃烧测试。
图4（a）显示PI-10%LAO复合隔膜可在50C充放电，且库伦效率稳定。图4（c）显示LFP/PI-10%LAO/石墨全电池在10C倍率下稳定循环超14,000次，平均库伦效率为99.97 %，容量保持率89 %。图6（e）显示由其制备的软包电池可以在10C的倍率下稳定循环超4500次。图4（g）展示该软包电池在平铺、折叠、穿刺、剪切下均能稳定供电多个二极管。
图4：(a) LFP/PI、PI-LAO/石墨电池的倍率性能曲线；(b) LFP/PI-10%LAO/石墨电池不同电流密度下的充放电曲线；(c) LFP/PI、PI-LAO/石墨电池的循环性能；(d) LFP/PI-10%LAO/石墨电池不同循环次数下的充放电曲线；(e) LFP/PI-10%LAO/石墨软包电池的循环性能；(f) LFP/PI-10%LAO/石墨软包电池的阻抗；(g) 软包电池在平铺、折叠、穿刺和剪切状态下的供电情况。
图5：(a) PI、PI-3%LAO和PI-10%LAO复合隔膜锂对称电池的恒流循环曲线，插图为循环后锂片表面的数码照片。PI-10% LAO复合隔膜锂对称电池在接近 (b) 第25小时和 (c) 第1000小时循环时的恒流循环曲线。(d) PI、PI-0%LAO、PI-3%LAO和PI-10%LAO复合隔膜在阶梯增加电流密度下的临界电流密度测试，每个充放电步骤时间为1小时。(e) 在0.1 mA cm-2电流密度下和 (f) 在0.3~3 mA cm-2范围内的临界电流密度测试。(f) 不同LAO含量下PI基隔膜的锂离子传输机制及石墨负极/电解液界面锂枝晶生长抑制示意图。
图5（a）显示PI-10%LAO复合隔膜可耐受10 mA cm-2，1 mAh cm-2大电流密度快速充放电超1000小时，图5（d）显示其临界电流密度可达20 mA cm-2。复合隔膜作用机制如图5（g）所示，研究人员采用适当比例的的LAO充分填充了PI基膜内部和表面，形成了纤维/LAO以及LAO颗粒之间相互连接的微孔结构，这种结构一致性好，有利于支撑隔膜维持结构稳定，同时，LAO具有离子导电性，锂离子可通过微孔与LAO进行传输，此外，复合隔膜表面LAO一定程度上起到了电极包覆的作用，改善了电极/电解液界面离子传输动力学并形成了Li-Al-O过渡层 (图6 f) 抑制了锂枝晶生长。
图6：LFP/PI-10%LAO/石墨电池循环后 (a) 负极表面总谱图；(b) Li 1s，(c) Al 2p，(d) C 1s，(e) N 1s，(f) O 1s，以及 (g) F 1s的分谱图。
作者通过规模化的涂层工艺制备了一种可耐400 ℃并完全自熄的PI-LAO复合隔膜，该隔膜展现出优异的倍率及循环稳定性。这种复合隔膜的设计与制备为高安全性、高倍率和超长寿命动力锂电池的发展提供了新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171203
人物简介：
景茂祥，江苏大学教授，主要从事动力锂/钠电池隔膜、固态聚合物电解质、微纳米功能材料等研究工作，开发出系列金属及陶瓷无机纳米材料、耐高温动力电池隔膜、有机/无机复合固态电解质薄膜及高电压固态电池关键技术，研究成果先后在Adv. Energy Mater.，Chem. Eng. J.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Nanoscale，J. Colloid Inter. Sci.，Ceram. Int.，ACS Appl. Energy Mater.，J. Electrochem. Soc.，ACS Sustainable Chem. Eng.，等国际期刊发表SCI论文50余篇，申请及授权发明专利20余项。
